福田の数学〜東京大学2023年理系第4問〜球面と三角形が共有点をもつ条件 - 質問解決D.B.(データベース)

福田の数学〜東京大学2023年理系第4問〜球面と三角形が共有点をもつ条件

問題文全文(内容文):
4 座標空間内の4点O(0,0,0), A(2,0,0), B(1,1,1), C(1,2,3)を考える。
(1)OPOA, OPOB, OPOC=1 を満たす点Pの座標を求めよ。
(2)点Pから直線ABに垂線を下ろし、その垂線と直線ABの交点をHとする。
OHOAOBを用いて表せ。
(3)点QをOQ=34OA+OPにより定め、Qを中心とする半径rの球面Sを考える。Sが三角形OHBと共有点を持つようなrの範囲を求めよ。ただし、三角形OHBは3点O, H, Bを含む平面内にあり、周とその内部からなるものとする。

2023東京大学理系過去問
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問題文全文(内容文):
4 座標空間内の4点O(0,0,0), A(2,0,0), B(1,1,1), C(1,2,3)を考える。
(1)OPOA, OPOB, OPOC=1 を満たす点Pの座標を求めよ。
(2)点Pから直線ABに垂線を下ろし、その垂線と直線ABの交点をHとする。
OHOAOBを用いて表せ。
(3)点QをOQ=34OA+OPにより定め、Qを中心とする半径rの球面Sを考える。Sが三角形OHBと共有点を持つようなrの範囲を求めよ。ただし、三角形OHBは3点O, H, Bを含む平面内にあり、周とその内部からなるものとする。

2023東京大学理系過去問
投稿日:2023.03.09

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x2+y24x10y+40
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(1)領域Dは、中心が点(    ,    )、半径が    の円の
    である。

    の解答群
⓪ 周   ① 内部   ② 外部   
③ 周および内部   ④ 周および外部  

以下、点(    ,    )をQとし、方程式
x2+y24x10y+4=0
の表す図形をCとする。

(2)点Aを通る直線と領域Dが共有点をもつのはどのようなときかを考えよう。
(i)(1)により、直線y=    は点Aを通るCの接線の一つとなること
がわかる。
太郎さんと花子さんは点Aを通るCのもう一つの接線について話している。
点Aを通り、傾きがkの直線をlとする。

太郎:直線lの方程式はy=k(x+8)と表すことができるから、
これを
x2+y24x10y+4=0
に代入することで接線を求められそうだね。
花子:x軸と直線AQのなす角のタンジェントに着目することでも
求められそうだよ。

(ii) 太郎さんの求め方について考えてみよう。
y=k(x+8)x2+y24x10y+4=0に代入すると、
xについての2次方程式
(k2+1)x2+(16k210k4)x+64k280k+4=0
が得られる。この方程式が    ときのkの値が接線の傾きとなる。

    の解答群
⓪重解をもつ
①異なる2つの実数解をもち、1つは0である
②異なる2つの正の実数解をもつ
③正の実数解と負の実数解をもつ
④異なる2つの負の実数解をもつ
⑤異なる2つの虚数解をもつ

(iii)花子さんの求め方について考えてみよう。
x軸と直線AQのなす角をθ(0<θπ2)とすると
tanθ=        
であり、直線y=    と異なる接線の傾きはtan    
と表すことができる。

    の解答群
θ   ①2θ   ②(θ+π2)
(θπ2)   ④(θ+π)   ⑤(θπ)
(2θ+π2)   ⑦(2θπ2)

(iv)点Aを通るCの接線のうち、直線y=    と異なる接線の傾き
k0とする。このとき、(ii)または(iii)の考え方を用いることにより
k0=        
であることがわかる。
直線lと領域Dが共有点をもつようなkの値の範囲は    である。

    の解答群
k>k0 ①kk0
k<k0 ③kk0
0<k<k0 ⑤0kk0

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